DE947465C

DE947465C - Verfahren zum Betrieb von Konvertierungsanlagen

Info

Publication number: DE947465C
Application number: DEB19501A
Authority: DE
Inventors: Dr Helmut Krome; Dipl-Ing Ferdinand Markert
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1952-03-15
Filing date: 1952-03-15
Publication date: 1956-08-16
Also published as: FR1095658A; NL99545C

Description

Die Umwandlung von Kohlenoxyd mit Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff, die sogenannte Konvertierung, beginnt bei Verwendung der üblichen, in mehr als einer Schicht angeordneten Katalysatoren bei einer Temperatur von etwa 400⁰ und erreicht, je nach dem Kohlenoxydgehalt des zu konvertierenden Gases, Temperaturen bis zu 6oo° in der ersten Katalysatorschicht. Vor Auf treffen auf die jeweils nächste Katalysatorschicht wird das Gas wieder auf 400 bis 440⁰ gekühlt. Durch diese Zwischenkühlung wird erreicht, daß das konvertierte Gas den Reaktionsofen mit einer zwischen 400 und 440⁰ liegenden Temperatur verläßt.

Die Übertragung des Wärmeinhaltes des konvertierten bzw. nur teilkonvertierten Gases, im folgenden Kontaktgas genannt, an das zu konvertierende Frischgas erfolgt mittels Wärmetauschern und meistens in einem sogenannten Kühler-Sättiger-System, in dem das Kontaktgas in einem Rieselkühler einen Teil seines Wärme- und Wasserdampfgehaltes unmittelbar an Wasser abgibt, das bei manchen Anlagen in einem Röhrenkühler weiter durch das Kontaktgas erwärmt wird. In einem Rieselsättiger wird sodann das Frischgas mit dem vom Röhrenkühler bzw. Rieselkühler kommenden, heißen Kreislaufwasser berieselt, dadurch aufgeheizt und mit Wasserdampf beladen.

In Abb. ι ist schematisch eine solche Konvertierungsanlage dargestellt. Das Frischgas wird im Rieselsättiger ι gesättigt. Bei 2 wird Frischdampf zugegeben, im Vorwärmetauscher 3 tritt das Frischgas in Wärmetausch mit dem Kontaktgas, und im Zwischenwärmetauscher 4 wird die Reaktionswärme oder ein Teil derselben an das Frischgas abgeführt, das dann mit etwa 400° auf die erste obere Katalysatorschicht des Reaktionsofens 5 gelangt. Der Übersichtlichkeit wegen ist der Ofen 5 mit nur zwei Katalysatorschichten dargestellt.

Das den Reaktionsofen verlassende Kontaktgas gibt einen Teil seiner Wärme im bereits erwähnten Vorwärmetauscher 3 an das Frischgas ab, wird weiter bis nahe aiC seinen Taupunkt im Röhrenkühler 6 .durch das Kreislaufwasser gekühlt und gelangt anschließend in den mit dem Kreislaufwasser berieselten Rieselkühler 7. Über einen nicht gezeichneten Schlußkühler wird das Kontaktgas ao der Weiterverarbeitung zugeführt.

Das vom Rieselkühler 7 abfließende Kreislaufwasser wird über den Röhrenkühler 6 auf den Sättiger 1 und das vom Sättiger 1 abfließende Wasser auf den Kühler 7 gepumpt. Der für die Konvertierung benötigte Zusatzdampf wird bei 2 zugegeben. -

Zur Einsparung von Kompressionskosten führt man die Konvertierung vorteilhafterweise unter Druck aus,' da hierbei gegenüber dem Arbeiten unter geringem Druck die Kompressionskosten für die bei der Konvertierung entstehende Kohlensäure fortfallen, wenn die Druckkonvertierung unmittelbar vor eine Anlage zum Entfernen des die Synthese störenden Kohlendioxyds, z. B. eine Druck wasserwäsche, geschaltet wird.

Bei der Druckkonvertierung benötigt man teureren Dampf, dessen Druck im allgemeinen höher ist als der bei der Konvertierung.

Zur Einsparung von Dampfkosten bemüht man sich nun, bei der Druckkonvertierung den.Wärmeinhalt des Kontaktgases möglichst weitgehend an das zu konvertierende Frischgas zu übertragen. Dies ist aber, abgesehen von Wärmeverlusten, nur zum Teil möglich, weshalb bei der Konvertierung die Zuführung zusätzlicher Wärme in Gestalt von Dampf notwendig ist.

Es ist deshalb im Kühler-Sättiger-System der Abb. ι nur möglich, einen Teil der Kontaktgaswärme an das Frischgas zu übertragen, weshalb das Kontaktgas mit einer wesentlich höheren Temperatur den Rieselkühler verläßt als das in den Rieselsättiger eintretende Frischgas.

Mit der noch im Kontaktgas zur Verfugung stehenden Wärme könnte man heißes Wasser erzeugen, wofür aber wenig Verwendungsmöglichkeiten vorhanden sind.

Es wurde nun gefunden, daß sich die Konvertierung bei gewöhnlichem oder erhöhtem Druck unter Verwendung von Wärmetauschern zur Aufheizung des Frischgases durch das Kontaktgas und unter Benützung von im Kreislauf geführtem Wasser als Wärmeträger besonders vorteilhaft durchführen läßt, wenn die Abkühlung des Kontaktgases in einem Rieselkühler in mehr als einer Stufe erfolgt und jede Abkühlungsstufe des Rieselkühlers mit einer entsprechenden Stufe des Rieselsättigers zusammengeschaltet ist, wobei die in einer Kühlstufe vom Kontaktgas erwärmte Wassermenge auf die entsprechende Sättigungsstufe des Frischgases und von dieser wieder zurück auf die Kühlstufe gegeben wird, und wobei die Überschußwärme, die das Kontaktgas mehr abgibt als das Frischgas aufnimmt, für andere Zwecke, zweckmäßig zur Dampferzeugung, nutzbar gemacht wird.

Das Verfahren sei an Hand der Abb. 1 und 2 näher erläutert. Die Kühlung des Kontaktgases im Rieselkühler 7 der Abb. 1 und die Sättigung des Frischgases im Rieselsättiger 1 der Abb. 1 wird gemäß Abb. 2 zweistufig durchgeführt. Das Kontaktgas tritt in den zweistufigen Rieselkühler der Abb. 2 mit der heißen Stufe 8 und der kalten Stufe 9 mit 220⁰ in die heiße Stufe 8 ein und wird in dieser auf 148⁰ gekühlt, wobei das Kreislaufwasser von 144 auf 177⁰ erwärmt wird. In der kalten Stufe 9 wird das Kontaktgas weiter von 148 auf 114⁰ gekühlt. Das von der kalten Stufe 9 des Rieselkühlers abfließende Kreislauf wasser heizt in der kalten Stufe 10 des Rieselsättigers das Frischgas auf 145° auf. In der heißen Stufe 11 des Sättigers erfolgt die weitere Sättigung und Erhitzung des Frischgases von 145 auf 176⁰.

Von der heißen Stufe 11 des Sättigers fließt nun das Kreislauf wasser mit 158⁰ ab. Da es aber auf die heiße Stufe 8 des Rieselkühlers nur mit 144⁰ gegeben wird, steht hier in der Abkühlung des Umlauf wassers von 158 auf 144⁰ Wärme für andere Zwecke zur Verfügung, und zwar Ii2kal/Nm^s Frischgas. Es wird deshalb das Umlaufwasser von der heißen Stufe 11 des Rieselsättigers durch einen Dampferzeuger 12 geführt, in dem die überschüssige Wärmemenge zur Erzeugung von Niederdruckdampf verwendet wird. Vom Dampferzeuger 12 wird das Kreislaufwasser auf die heiße Stufe 8 des Rieselkühlers gegeben.

Abb. 2 enthält noch folgende Bezeichnungen: 13 bedeutet die Eintrittsstelle des Kontaktgases zum Kühler, 14 die Austrittsstelle des Kontaktgases aus dem Kühler, 15 die Eintrittsstelle des Frischgases in den Sättiger, 16 die Austrittsstelle des Frischgases aus dem Sättiger, 17 die Eintrittsstelle von Kesselspeisewasser in den Dampferzeuger 12, 18 die Austrittsstelle des Dampfes aus dem Dampferzeuger.

Durch mehrfache Unterteilung der Kühlung und Sättigung kann auch ein Teil der Überschußwärme zur Erzeugung von Dampf mit entsprechend höherem Druck verwendet werden.

Mit der Überschußwärme kann man auch die Konvertierung eines anderen Gases in einer zweiten Konvertierungsanlage durchführen unter der Voraussetzung, daß das Kontaktgas dieser Anlage einen niedrigeren Taupunkt hat als das Kontaktgas der ersten, wärmeabgebenden Konvertierungsanlage. Während die oben beschriebene Ausnützung der Überschußwärme zur Dampferzeugung zweck-

mäßig nur bei der Konvertierung unter erhöhtem Druck Anwendung findet, kann beim Betrieb zweier Anlagen der beschriebenen Art mit Vorteil sowohl bei gewöhnlichem als auch bei erhöhtem Druck gearbeitet werden.

In Abb. 3 ist eine Ausführungsform mit zwei Konvertierungsanlagen schematisch dargestellt.

Die Vorrichtungsteile 27 bis 40 umfassen die Überschuß wärmeabgebende Konvertierung, während die Teile 18 bis 25 die diese Überschußwärme aufnehmende Konvertierung darstellen.

Es sei zunächst kurz die wärmeabgebende Konvertierung geschildert: Das Frischgas tritt bei 36 ein, durchläuft die kalte Stufe 34 des Sättigers und daran anschließend die heiße Stufe 35 des Sättigers und wird sodann über einen weiteren Sättiger 29 geführt. Nach Zugabe des Frischdampfes bei 38 wird das Gas im Vorwärmetauscher 31 und im Zwischenwärmetauscher 32 auf etwa 400⁰ erhitzt und dem Reaktionsofen 33 zugeführt. Die in der ersten Schicht des Reaktionsofens entstehende Reaktionswärme wird ganz oder teilweise im schon erwähnten Zwischenwärmetauscher 32 an das Frischgas abgegeben. Das die letzte Schicht des Reaktionsofens 33 verlassende Kontaktgas gibt im Vorwärmetauscher 31 einen Teil seiner Wärme an das Frischgas und im Röhrenkühler 30 einen Teil seiner Wärme an das Umlaufwasser ab, mit dem der schon erwähnte Rieselsättiger 29 beaufschlagt wird. Das Kontaktgas strömt weiter über die heiße Stufe 28 des Kühlers und anschließend in die kalte Stufe 27 des Kühlers und wird bei 37 über einen nicht gezeichneten Schlußkühler der weiteren Verarbeitung, z. B. der Ammoniaksynthese, zugeführt.

Die Überschuß wärme, die aus diesem Kühler-Sättiger-System der wärmeabgebenden Konvertierung zur Verfügung steht, wird bei 39 abgeführt und das entsprechend abgekühlte Wasser bei 40 wieder zugeführt.

Bei der wärmeaufnehmenden Konvertierung tritt das Frischgas bei 25 ein, durchläuft den Sättiger 19 und den Sättiger 20, strömt über den Vorwärmetauscher 22 und den Zwischenwärmetauscher 23 zum Reaktionsofen 24. Die in der ersten Katalysatorschicht entstehende Reaktionswärme wird ganz oder teilweise vom Kontaktgas im Zwischenwärmetauscher 23 an das Frischgas abgegeben. Das die letzte Schicht des Reaktionsofens 24 verlassende Kontaktgas strömt über den Vorwärmetauscher 22, in dem ebenfalls ein Teil seiner Wärme an das Frischgas abgegeben wird, in den Röhrenkühler 21, in dem Kreislauf wasser erwärmt wird, zum Rieselkühler 18 und von diesem durch Leitung 26 über einen nicht gezeichneten Schlußkühler der weiteren Verarbeitung, z. B. einer Methanolsynthese, zu.

Zwischen der überschußwärmeabgebenden Konvertierung und der wärmeaufnehmenden Konvertierung entsteht nun folgender Wasserkreislauf:

Das vom Sättiger 35 durch Leitung 39 abfließende Wasser wird im Röhrenkühler 21 weiter erhitzt und sättigt im Sättiger 20 das zu konvertierende Gas mit der vollen zur Konvertierung benötigten Dampfmenge. Das über 40 vom Sättiger 20 ablaufende Wasser wird im Kühler 28 wieder erhitzt und auf den Sättiger 35 gegeben, von wo es dann seinen Kreislauf wiederholt. Auf diese Weise wird die Überschußwärme, die in den heißen Stufen 28 und 35 des Kühler-Sättiger-Systems der wärmeabgebenden Konvertierung frei wird, an die wärmeaufnehmende Konvertierung abgegeben, so daß die Konvertierung hier ohne Dampfkosten durchgeführt werden kann.

Es ist auch möglich, die Stufen der Kühlung des Kontaktgases der wärmeabgebenden Konvertierung so einzurichten, daß das bei 39 an die wärmeaufnehmende Konvertierung abzugebende Wasser eine solche Temperatur hat, daß eine weitere Erhitzung des Umlauf wassers im Röhrenkühler 21 überhaupt nicht oder nur in bescheidenem Maße notwendig ist. Dann steht bei der wärmeabgebenden Konvertierung Reaktionswärme zur Verfügung, mit der man in einem Dampfkessel, der an Stelle des Wärmetauschers 23 anzuordnen wäre, Dampf von hohem Druck bei hoher Temperatur, z. B. von 100 at bei 500⁰, erzeugen kann.

Man kann auch einen Teil des vom Kühler 28 kommenden Wassers auf den Sättiger 35 und einen anderen Teil dieses Wassers, gegebenenfalls unter Verzicht des Röhrenkühlers 21, auf den Sättiger 20 geben. Es steht dann für die Aufheizung des Gases im Vorwärmetauscher 22 mehr Wärme zur Verfügung, so daß ein Teil der im Zwischenwärmetauscher 23 der wärmeaufnehmenden Konvertierung an das Frischgas abgeführten Reaktionswärme zur Dampferzeugung in einem Dampfkessel verwendet werden kann. Je nach den Verhältnissen kann dann der Dampfkessel an Stelle des Wärmetauschers 23 treten oder parallel zu ihm eingeschaltet sein. Es läßt sich dann Dampf von hohem Druck und hoher Temperatur, z. B. solcher von 100 at und 500⁰, erzeugen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Umwandlung von Kohlenoxyd und Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff, bei gewöhnlichem oder erhöhtem Druck, unter Verwendung von Wärmetauschern zur Aufheizung des Frischgases durch das konvertierte Gas, Kontaktgas genannt, und unter Benützung von im Kreislauf geführtem Wasser als Wärmeträger zwischen Kontaktgas und Frischgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Kontaktgases in einem Rieselkühler (8, 9) in mehr als einer Stufe erfolgt und jede Abkühlungsstufe des Rieselkühlers mit einer entsprechenden Stufe des Rieselsättigers (11, 10) zusammengeschaltet ist, wobei die in einer Kühlstufe vom Kontaktgas erwärmte Wassermenge auf die entsprechende Sättigungsstufe des Frischgases und von dieser wieder zurück auf die Kühlstufe gegeben wird und wobei die Überschußwärme, die das Kontaktgas mehr abgibt als das Frischgas aufnimmt, zweckmäßig

zur Dampferzeugung oder für andere Zwecke nutzbar gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß man die Überschußwärmemenge der Kühler-Sättiger-Stufe dem vom Rieselsättiger (z. B. ii) abfließenden Kreislauf wasser entzieht, bevor das Kreislaufwasser wieder auf den Rieselkühler (z. B. 8) gegeben wird.
ίο 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Überschußwärme einer Kühler-Sättiger-Sfufe dadurch abführt, daß man das vom Kühler kommende, aufgeheizte Wasser in zwei Teilströme aufspaltet, von denen der eine in der entsprechenden Sättigerstufe das Frischgas aufheizt und sättigt, während der andere Teilstrom zur Dampferzeugung oder für andere Heizzwecke abgezweigt wird, wobei die beiden Teilströme nach ihrer Wärmeabgabe wieder zurück zur Aufheizung auf die Kühlerstufe gegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Überschußwärme der Kühler-Sättiger-Stufe zur Erzeugung von Dampf, insbesondere in Röhrenwärmetauschern (12), „verwendet.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Überschußwärme der Kühler-Sättiger-Stufe zur Sättigung eines in einer zweiten Anlage zu konvertierenden Gases verwendet, dessen Kontaktgas einen niedrigeren Taupunkt hat als das Kontaktgas der ersten, wärmeabgebenden Konvertierung, wobei das vom Rieselsättiger (35) der wärmeabgebenden Konvertierung abfließende Umlauf wasser jeweils auf eine Sättigerstufe (20) der wärmeaufnehmenden Konvertierung und von dieser zurück auf den Rieselkühler (28) der wärmeabgebenden Konvertierung geführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Maße, wie mehr Überschußwärme an die wärmeaufnehmende Konvertierung abgegeben wird, als diese für die eigentliche Konvertierung braucht, die dann für den Wärmetausch vom Kontaktgas an das Frischgas nicht mehr benötigte Reaktionswärme der wärmeabgebenden Konvertierung zur Erzeugung von Dampf von hohem Druck und hoher Temperatur verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 574871;
deutsche Auslegeschrift B 13185 IVb/20d;
Das Gas- und Wasserfach, 78. Jahrgang (1935), • 437·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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